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鋼管對(duì)接焊接頭殘余應(yīng)力測(cè)量

對(duì)接焊頭廣泛應(yīng)用于輸送氣、液介質(zhì)的管道中,如果接頭內(nèi)表面有很高拉應(yīng)力時(shí),就很容易引起應(yīng)力腐蝕開裂。本文主要采用盲孔法對(duì)鋼管對(duì)接焊接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量,分析不同管徑、不同焊接層數(shù)以及預(yù)熱溫度對(duì)管道接頭殘余應(yīng)力分布影響,了解其殘余應(yīng)力分布特征。

焊接試樣

管材為12CrIMoV,壁厚5mm、10mm,直徑133mm,長(zhǎng)2*240mm,接頭坡口角度為60°,直流手工電弧焊。焊接試樣分三種情況:

1. 管子壁厚5mm,直徑分別為50mm、100mm、300mm、500-2000mm單道單面一次焊透。

2. 壁厚10mm,焊縫層數(shù)為4層,分別在室溫20℃和預(yù)熱200℃下進(jìn)行焊接。

3. 壁厚10mm,室溫20℃,分別焊1層、4層、5層,保持總熱輸入相同。

測(cè)試方法及儀器

采用盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力。其原理是:在工件的應(yīng)力場(chǎng)中鉆小孔,被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力的平衡受到破壞,應(yīng)力得到釋放,小孔周圍的應(yīng)力將重新分布調(diào)整,利用事先貼在孔周圍的應(yīng)變計(jì)測(cè)得孔附近的彈性應(yīng)變?cè)隽?,就可以根?jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出小孔處的殘余應(yīng)力,這種方法鉆孔直徑和深度都很小,不會(huì)影響被測(cè)構(gòu)件的正常使用。

儀器采用聚航科技的JHMK多點(diǎn)殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng),由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。采用半橋連接,一片為工作片,一片為溫度補(bǔ)償片。

應(yīng)變片的布置:在焊縫及其附近處,沿軸向和周向每隔30mm粘貼應(yīng)變片;遠(yuǎn)離焊縫較遠(yuǎn)處每隔60mm粘貼應(yīng)變片,同一距離測(cè)點(diǎn)各布置兩片應(yīng)變片,以防數(shù)據(jù)丟失。由于直徑不同,不同鋼管測(cè)點(diǎn)也不同。

測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),周向應(yīng)力和縱向應(yīng)力明顯大于徑向應(yīng)力。因此,本文只討論前兩種應(yīng)力。圖1a、圖1b分別表示壁厚5mm,不同直徑管子接頭內(nèi)部周向應(yīng)力σθ和σz軸向應(yīng)力分布情況。圖2a和圖2b表示σθ和σz外部分布情況,圖3和圖4分別表示預(yù)熱和不預(yù)熱4層焊縫時(shí)內(nèi)部與外部的σθ和σz分布情況。圖5表示不同焊接層數(shù)時(shí)管接頭內(nèi)、外部位σθ分布情況。

 

鋼管對(duì)接焊接頭.png


鋼管對(duì)接焊接頭1.png

殘余應(yīng)力特征分析

直徑對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

從圖1和圖2可得出以下結(jié)論

1. 管接頭處內(nèi)壁應(yīng)力水平高于外部,焊縫內(nèi)部及其附近的σθ和σz是拉應(yīng)力,而外部的σz是壓應(yīng)力。小直徑管外部σθ很低。

2. 雖然小直徑管子接頭殘余應(yīng)力很低,但內(nèi)、外應(yīng)力差值較大。隨管徑增大,內(nèi)、外部位的最大σθ均逐漸趨向于屈服極限,應(yīng)力分布趨近于平板對(duì)接焊的殘余應(yīng)力分布。小直徑管接頭內(nèi)部殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要因素。

多層焊及預(yù)熱對(duì)殘余應(yīng)力特征的影響

從圖3至圖5可得出以下結(jié)論

1. 內(nèi)表面焊縫及其附近的σθ是拉應(yīng)力,通常高于σz,甚至達(dá)到屈服極限。外表面的σθ比內(nèi)表面的σθ低很多,其值很小,甚至為壓應(yīng)力。外表面的σz是壓應(yīng)力。

2. 預(yù)熱200℃可以減小內(nèi)、外表面的應(yīng)力,但效果不是很明顯。

3. 若熱輸入相同,減少焊接層數(shù)可改善殘余應(yīng)力的分布。

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